Закономерности выделения энергии в зоне сварки в зависимости от свойств свариваемых материалов

Энергия является решающим фактором образования сварного соединения. Ее знание является основным, базовым условием наших представлений о процессе сварки.

Определение энергии, выделяющейся в зоне сварки, относится к наиболее трудным, проблемным вопросам современной технологии УЗС. Исследователи, на наш взгляд, именно из-за очевидных трудностей ее определения, отсутствия надежных отработанных методик, аппаратуры по существу вынуждены были обходить

этот вопрос. Об издержках такого подхода свидетельствует отсутствие научно обоснованных методов определения важнейших составляющих процесса и технологических режимов сварки.

  передающем энергию в зону сварки. Энергию можно определить по резонансным характеристикам системы, коэффициентам внешнего и внутреннего трения; методом резонансных кривых, по круговым диаграммам.

  можно воспользоваться способом

Ганемана — Гехта при использовании колебательных систем с продольными и продольно-поперечными системами волноводов, со стержнями и дисками.

Сущность классического способа заключается в том, что частотная зависимость энергии, потребляемой колебательной системой в режиме излучения в воздух и в воду, различна. В нашем варианте рассматривается колебательная система (преобразователь, концентратор и, например, резонирующий стержень) в режиме холостого хода, когда сварочные наконечники разомкнуты, и в режиме сварки, когда между сварочными наконечниками расположены свариваемые детали, сжатые контактным, сварочным

давлением.

Проведем кривую 3, соединяющую ниспадающие ветви кривых 1 и 2. Тогда можем написать, что электромеханический КПД системы равен

Для определения мощности, выделяющейся в зоне сварки, т. е. акустико-механического КПД системы, воспользуемся резонансной характеристикой, полученной в режиме холостого хода XX. Эта кривая соответствует свободным колебаниям сварочного наконечника, режиму стоячей волны в диске (стержне) при сопротивлении нагрузки, равной нулю (разомкнутые сварочные наконечники). Этот режим нами принят аналогом режима излучения, например магнитострикционного преобразователя в воздух. Считаем, что излучения энергии в воздух нет, что и соответствует действительности, поскольку на границе раздела сталь — воздух существует полное внутреннее отражение. Отрезок А В показывает электрическую мощность, определенную внутренними потерями в системе.

Таким образом, акустико-механический КПД системы равен

а полный электроакустический КПД системы

Результаты измерения типовой колебательной системы с продольно-поперечной системой волноводов приведены в табл. 1.2. Среднее арифметическое этих значений — 11,9; среднее квадратичное— 1,16; коэффициент вариаций — 9,8. И полагая, что при большом числе измерений ошибки распределены по нормальному закону, доверительная вероятность метода при доверительных интервалах 1,16; 2,32; 3,48 соответственно составит: 0,68; 0,59 и 0,99.

С использованием коэффициента Стьюдента для расчета доверительной вероятности и с учетом ограниченного числа наблюдений при доверительном интервале 2,32 доверительная вероятность равна 0,99.

, Относительная

прочность сводных соединений при этом показана кривыми 4.

  посредством измерения коэффициента бегущей волны в стержне, передающем энергию в зону сварки.

Продольно-поперечная система волноводов приведена на рис. 1.9, а.

фазы волны нет. Коэффициент бегущей волны равен:

  равном нулю, наблюдается режим стоячей

равны нулю.

С увеличением контактного давления наряду со стоячей волной образуется бегущая волна, которая обусловлена поглощением энергии в зоне сварки. Пользуясь эквивалентными величинами, можно написать, что энергия, выделяющаяся в зоне сварки (в 1 с), равна

— амплитуда колебательного смещения сварочного наконечника.

Сопротивление нагрузки зависит от формы и характера контактирования сварочного наконечника с деталью и деталей между

собой, температуры в зоне контакта, физико-механических свойств металлов и других факторов.

растет и их механическая прочность.

. Так как

— удельное волновое сопротивление материала стержня. С учетом последнего выражения, энергия, выделяющаяся в зоне сварки, равна

. Измеренные и расчетные данные для определения мощности выделяющейся в зоне сварки при различных сварочных усилиях, приведены в табл. 1.3.

Этот метод, как уже было сказано, позволяет получить наиболее полную информацию относительно поглощения энергии в зоне сварки в зависимости от изменения тех или иных условий в процессе образования неразъемного соединения металлов.

является исключительно чувствительной величиной, позволяющей дифференцировать перенос энергии в зависимости от состояния пленок, наклепа и тому подобных явлений.

нарастает

не дает.

) может быть эффективно использован для контроля образования сварного соединения при УЗС.

, полученный при этом методе измерений, составил около 10 %.

3. Для определения энергии, выделяющейся в зоне сварки, был использован калориметрический метод. Нами был разработан калориметр, который был использован для выявления энергетических характеристик колебательных систем и свариваемых материалов. Его внутренние размеры позволяли вмещать торцевые оконечности волноводов для сварки пластмасс и металлов. Верхняя плоскость для уменьшения потерь закрывалась крышками. Формула для расчета теплоты в общем виде имеет вид

— масса и теплоемкость воды в калориметре, свариваемых деталей и сварочных наконечников.

пренебрегаем, так как их суммарная доля в тепловом балансе составляет не более 5 %.

Результаты измерений сведены в табл. 1.4 и показаны на рис. 1.10, а и б.

, дифференцирование мощности при

минимальных нагрузках системы в режиме XX свидетельствуют, что этот метод достаточно надежен.

4. Проведены измерения температурных полей ряда металлов и пластмасс (рис. 1.11).

— дифференцируемый объем свариваемого материала). Для определения нагрева сварочного волновода термопара зачеканивалась в его тело на расстоянии 5 мм от поверхности раздела со свариваемыми деталями. Промежуточные значения температур интерполировались.

Энергия ультразвука, излучаемая сварочным наконечником, равна

где

— площадь ввода энергии ультразвука.

Расчет секундного количества теплоты проводился по уравнению вида

I

— изменение температуры на заданном участке поля.

Результаты расчета энергии тепловыделения в зоне сварки показали, что для полистирола она равна примерно 0,2 Дж/мм3, для сварки алюминия — 1,6 Дж/мм3, для сварки меди — 4 Дж/мм3. Для контроля используем данные, приведенные в табл. 1.4. Действующий объем при сварке меди толщиной 0,2 + + 0,2 мм примерно равен 6 мм3, удельные затраты энергии составляют 24 Дж/мм3.

Таким образом, разнородные методы определения энергии, выделяющейся в зоне сварки, дают вполне удовлетворительные результаты, позволяющие дифференцировать энергетику процесса в зависимости от теплофизических, акустических и механических свойств свариваемых материалов, выходных характеристик источника ультразвука и параметров режима сварки. Доказано, что рассматриваемые нами методы могут быть использованы в исследованиях энергетики процесса УЗС пластмасс и металлов,

Проведенные измерения энергии, выделяющейся в зоне сварки, позволили установить, что энергия, необходимая для УЗС, в

— для сварки полимеров.

Удельные значения энергий, рассчитанные по уравнениям для ряда материалов, приведены на рис. 1.12, а и б.

ряд имеет вид: если энергоемкость чистого

полистирола принять за 1, то относительная энергоемкость сварочного процесса составит:

При изменении условий сварки, например геометрических форм свариваемых материалов, их свойств и т. п., приведенные соотношения должны, разумеется, претерпеть изменения.

Таким образом, работы позволили однозначно показать практическую целесообразность определения энергии, выделяющейся в зоне сварки по температурному полю, прямым калориметриро-ванием , методом резонансных кривых, с помощью коэффициента бегущей волны в резонирующих элементах и коэффициентов внутреннего и внешнего трения. Установленные значения энергии, необходимые для образования сварных соединений различных материалов, позволяют провести анализ тепловыделения в зоне сварки. Результаты исследований термических циклов при УЗС приведен также в многочисленных работах [1, 2, 12 и др. Выявлены основные закономерности изменения температуры в процессе сварки. Дифференцировано ее изменение в зависимости от свойств свариваемых материалов, параметров режима сварки и т. п.

— коэффициент температуропроводности , теплопроводности, теплоемкости; S и r — площадь и радиус источника теплоты — сварочного наконечника.

Нами проведены измерения термоциклов и разработана методика измерений. Использовались хромель — копелевые термопары (ТП) диаметром 0,2 мм. Заделка ТП осуществлялась за-чеканкой . Естественная ТП: медь толщиной 0,2 мм и константан толщиной 0,65 мм. Калибрование ТП производили на шлейфовом осциллографе. Одновременно велась запись амплитуды колебаний сварочного наконечника от УБВ-2 на самописец типа Н-110. Время записи термического цикла соответствовало, как правило, реальным циклам сварки, обеспечивающим максимальную механическую прочность сварных соединений. В качестве источников ультразвука использовались преобразователи мощностью 1,5 и 4,0 кВт с продольно-поперечной системой волноводов. Рассчитанная по этому выражению зависимость, не совпадает с экспериментальной кривой, приведенной в работе [121.

Таким образом, гипотеза о постоянном источнике теплоты при УЗС экспериментом не подтвердилась.

Нами термические циклы зарегистрированы при сварке однородных разнотолщинных материалов на поверхности, в теле сварочного наконечника, в зоне сварки, на опоре. Записи ТЦ проводились преимущественно в двух режимах:

постоянном для всех сочетаемых пар — для сравнения энергетики процессов сварки материалов, обладающих различными теплофизическими свойствами;

режиме, обеспечивающем получение сварных соединений с номинальной механической прочностью, т. е. реальном.

Установлено следующее. Температура, возникающая в результате достаточно интенсивных процессов внешнего трения на сварочном наконечнике, как правило, выше температур в зоне сварки, и тем более на опоре (рис. 1.13, а). При сварке полимеров, особенно мягких (ПВХ, ПЭ й др.) с достаточно большим коэффициентом потерь максимум температуры перемещается в центр зоны сварки (рис. 1.13, б). Таким образом, термические циклы отражают механизм передачи энергии от источника ультразвука при изменении свойств свариваемых материалов в силу изменения волнового сопротивления и сопротивления нагрузки

в целом (рис. 1.14, а). Полученные экспериментальные данные подтверждают изложенную выше физическую модель сварки и механизм отбора энергии. Анализ термоциклов в зависимости от толщины свариваемых материалов показал, что с увеличением толщины свариваемых материалов температура в зоне сварки резко снижается. Закономерность явления подтверждена при сварке алюминия, меди, никеля в диапазоне толщин 0,5—5 мм. Это явление можно объяснить следующим.

С увеличением толщины свариваемых материалов колебательные смещения и напряжения, возникающие непосредственно в зоне их контактирования , существенно снижаются в силу значительных потерь на внутреннее трение и неспособности материала передать исходную волну колебательного смещения. В результате мощность процессов внешнего трения как основного источника падает. Можно сделать вывод, что чем хуже упругие свойства свариваемых материалов и больше коэффициент потерь на внутреннее трение, тем сильнее

сказывается его толщина. Зная приближенные значения температур, при которых возможно образование сварного соединения того или иного материала, и сравнивая их с полученными термоциклами , можно судить о возможности образования сварного соединения с заданной прочностью. Таким образом, термоцикл может служить индикатором реальности процесса УЗС.

Учитывая, что реальные термические циклы при любых условиях установившегося процесса УЗС всегда имели хорошо выраженную тенденцию на спад температуры, нами была высказана гипотеза о переменном источнике теплоты, интенсивность которого убывает в процессе сварки. Разработанная физическая модель зоны сварки позволяет построить тепловую модель, в которой предполагается наличие теплового источника, убывающего в процессе образования сварного соединения. Принципиальная схема тепловыделения приведена на рис. 1.15.

— толщина свариваемого материала; S — площадь ввода энергии). Тогда уравнение теплопроводности для зоны сварки будет иметь вид

— теплопроводность свариваемых материалов.

Уравнения теплопроводности для волновода или опоры будут иметь вид

Начальные условия Т (х ; 0) = 0. Приведенные уравнения теплопроводности при заданных условиях решены операционным методом (преобразования Лапласа). Получены в области изображения уравнения и соответствующие граничные и краевые условия:

ограничимся только числом при п = О, так как следующий член составит от этого величину, равную примерно 0,1. Выражение для температуры

в зоне сварки получим в виде:

Для проверки сделанных предложений в процессе сварки были проведены измерения температурных циклов. Сварка меди толщиной 0,2 + 0,2 мм проводилась на машине типа МТУ-1,5 с режимом: амплитуда колебаний сварочного наконечника 6 мм; частота 22 кГц; сварочное усилие 1000 Н; коэффициент трения

= 0,63 с; площадь ввода энергии в зону сварки по диаметру сварочного наконечника 5 = 12 мм2. Измерение термоциклов в зоне контактирования свариваемых материалов проводилось хромель-копелевой термопарой с толщиной провода 0,2 мм. Запись проводилась на осциллографе типа К-115, градуирование — в кипящей воде.

Сравнение экспериментальных кривых с расчетными, полученными на ЭВМ, показывает, что все исходные предпосылки для теоретического расчета термического цикла в зоне сварки сделаны правильно. В зоне сварки действует переменный во времени источник теплоты. Его производительность снижается по мере формирования сварного соединения. Изменение термического цикла в процессе сварки отражает условия взаимодействия источника теплоты со свариваемым материалом. Интенсивность рассасывания мощности (это видно из начального участка термоциклов ) предопределяется теплофизическими свойствами свариваемых материалов, условиями теплоотвода в волновод, опору и свариваемые детали.